Google Cloud AI Platform、What-if Toolを使ってみた①

1. はじめに

• Analyzing a financial ML model deployed on AI Platform with the What-If Toolのチュートリアルをやります。
• ただ日本語にしただけの記事です。

2. 環境セットアップ

Step 0: プロジェクトの作成

1. リソース管理のページに行く
2. [プロジェクトを作成]
3. プロジェクト名を入力して[作成]クリック

Step 1: Cloud AI Platform Models APIの有効化

1. AI Platform Models sectionに移動
2. [APIを有効にする]をクリック

Step 2: Compute Engine APIの有効化

1. Compute Engineのページに移動
2. [有効にする]をクリック

Step 3: AI Platform Notebooksインスタンスの作成

1. AI Platform Notebooksセクションに移動
2. [ノートブック]-[新しいインスタンス]から最新のTF 1.xの without GPUsを選択して作成
3. インスタンス名を入力して、[作成]をクリック
4. インスタンスが作成できたら、[JUPYTERLABを開く]をクリック

Step 4: XGBoostのインストール

XGBoostパッケージをターミナルから追加していきます。

1. [Terminal]をクリック
2. コマンド実行

$ pip3 install xgboost

準備完了です。(結構時間かかります。)

Step 5: Pythonパッケージのインポート

notebookの最初のセルに以下のimport文を記述して実行してください。

import pandas as pd
import xgboost as xgb
import numpy as np
import collections
import witwidget

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import accuracy_score, confusion_matrix
from sklearn.utils import shuffle
from witwidget.notebook.visualization import WitWidget, WitConfigBuilder

3. データのダウンロードと前処理

mortgageデータセットをXGBoostモデルで学習します。事前に処理された小サイズバージョンを使います。このモデルは住宅ローンを承認できるか否かの判別をします。

Step 1: 事前処理データのダウンロード

Google Cloud Storageからデータセットを取得できます。Jupyter notebookでgsutilコマンドを実行してダウンロードします。

!gsutil cp 'gs://mortgage_dataset_files/mortgage-small.csv' .

Step 2: Pandasを使ってデータセットを読込

まずdatatypeを定義するdictionaryを作成します。

COLUMN_NAMES = collections.OrderedDict({
 'as_of_year': np.int16,
 'agency_code': 'category',
 'loan_type': 'category',
 'property_type': 'category',
 'loan_purpose': 'category',
 'occupancy': np.int8,
 'loan_amt_thousands': np.float64,
 'preapproval': 'category',
 'county_code': np.float64,
 'applicant_income_thousands': np.float64,
 'purchaser_type': 'category',
 'hoepa_status': 'category',
 'lien_status': 'category',
 'population': np.float64,
 'ffiec_median_fam_income': np.float64,
 'tract_to_msa_income_pct': np.float64,
 'num_owner_occupied_units': np.float64,
 'num_1_to_4_family_units': np.float64,
 'approved': np.int8
})

定義したdatatypeに沿って、DataFrameを作成します。オリジナルのデータセットはsortされているので、shuffle(sklearnの)するのがポイントです。

data = pd.read_csv(
 'mortgage-small.csv',
 index_col=False,
 dtype=COLUMN_NAMES
)
data = data.dropna()
data = shuffle(data, random_state=2)
data.head()

data.head()で最初の５行をプレビューします。以下のような感じです。

approvedカラムが予測対象です。1が承認、0が否認を示します。

approvedの分散度合いを見るために、以下のコマンドを実行します。

# Class labels - 0: denied, 1: approved
print(data['approved'].value_counts())

labels = data['approved'].values
data = data.drop(columns=['approved'])

66%くらいが承認となっているはずです。

Step 3: カテゴリカル値のダミーカラムを作成

このデータセットはカテゴリカル値を含みますが、XGBoostは数値のみしか扱えません。pandasのget_dummiesを使ってon-hot encodingで変換します。

ダミーカラムの作成のために以下のコマンドを実行します。

dummy_columns = list(data.dtypes[data.dtypes == 'category'].index)
data = pd.get_dummies(data, columns=dummy_columns)
data.head()

purchaser_typeが変換された後の様子

Step 4: 訓練データとテストデータの分割

訓練データとテストデータに分割することは機械学習では重要なコンセプトです。データの大半を訓練データに使って、後ほど残りをテストデータに使います。

Scikit Learnのfunctionのtrain_test_splitを使う以下のコードを実行します。

x,y = data,labels
x_train,x_test,y_train,y_test = train_test_split(x,y)

学習前の準備が終わりました。

4. XGBoostモデルのビルド、学習、評価

Step 1: XGBoostモデルの定義

モデルの作成はとてもシンプルです。XGBClassifierを使ってモデルを作り、objectiveに目的のアルゴリズムを指定します。今回は単純な２値のクラス分類で、ロジスティック回帰を指定します。reg:logisticを使います。

model = xgb.XGBClassifier(
    objective='reg:logistic'
)

fit()で学習を実行します。

model.fit(x_train, y_train)

学習は数分かかります。

Step 2: モデルのaccuracyを評価

predict()を使って予測をします。
Scikit Learnのaccuracy_scoreを使って、accuracyを計算します。

y_pred = model.predict(x_test)
acc = accuracy_score(y_test, y_pred.round())
print(acc, '\n')

だいたい*87%*くらいになるはずです。

Step 3: モデルの保存

モデルをデプロイするために以下のコードでローカルにモデルを保存します。

model.save_model('model.bst')

5. Cloud AI Platformにモデルをデプロイする

ローカルで動いたモデルをクラウドにデプロイします。

Step 1: Cloud Storage bucketの作成

まずは環境変数の定義をします。

# Update these to your own GCP project, model, and version names
GCP_PROJECT = 'financial-ml-260301'
MODEL_BUCKET = 'gs://financial_ml_bucket'
VERSION_NAME = 'v1'

XGBoostモデルファイルをCloud AI Platformに格納する準備ができました。

gsutilコマンドを実行してbucketを作成します。

!gsutil mb $MODEL_BUCKET

Step 2: モデルをCloud Storageにコピー

以下のコマンドでモデルファイルをCloud Storageにコピーします。

!gsutil cp ./model.bst $MODEL_BUCKET

google cloud consoleのstorage browserでコピーされたことを確認することができます。

Step 3: モデルの作成とデプロイ

最初にgcloud CLIでprojectの設定をします。

!gcloud config set project $GCP_PROJECT

ai-platformコマンドで新しいモデルを作成します。xgb_mortgageと呼びます。

!gcloud ai-platform models create xgb_mortgage

以下のコマンドでモデルをデプロイします。

!gcloud ai-platform versions create $VERSION_NAME \
--model=xgb_mortgage \
--framework='XGBOOST' \
--runtime-version=1.14 \
--origin=$MODEL_BUCKET \
--python-version=3.5 \
--project=$GCP_PROJECT

AI Platform consoleのmodel sectionで新しいバージョンがデプロイされている様子が見れます。

デプロイ完了まで２ー3分かかります。

Step 4: デプロイしたモデルのテスト

テストセットをJSONファイルで保存します。

%%writefile predictions.json
[2016.0, 1.0, 346.0, 27.0, 211.0, 4530.0, 86700.0, 132.13, 1289.0, 1408.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 1.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0]

以下のコードでモデルのテストを実行します。

prediction = !gcloud ai-platform predict --model=xgb_mortgage --json-instances=predictions.json --version=$VERSION_NAME
print(prediction)

1に近い値が出力され、承認が予測できていると思います。

6. What-if Toolによるモデルの解釈

Step 1: What-if Toolの可視化

What-if Toolに接続するため、テストセットのサブセットが必要です。Numpy arrayを500作成しましょう。

num_wit_examples = 500
test_examples = np.hstack((x_test[:num_wit_examples].values,y_test[:num_wit_examples].reshape(-1,1)))

WitConfigBuilderを使っていきます。今回のモデルは2クラススコアが期待できるので、任意のadjust_predictionパラメータを使います。以下のコードで正しいフォーマットに変換します。

def adjust_prediction(pred):
  return [1 - pred, pred]

config_builder = (WitConfigBuilder(test_examples.tolist(), data.columns.tolist() + ['mortgage_status'])
  .set_ai_platform_model(GCP_PROJECT, MODEL_NAME, VERSION_NAME, adjust_prediction=adjust_prediction)
  .set_target_feature('mortgage_status')
  .set_label_vocab(['denied', 'approved']))
WitWidget(config_builder, height=800)

以下のような図が表示されます。

続く・・・